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Ghiaccio laser, ecco il raggio che raffredda

Sfruttando la fotoluminescenza anti-Stokes, un team di ricercatori è riuscito per la prima volta a raffreddare di oltre 20 gradi un cristallo immerso in ambiente liquido.

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17 Novembre 2015


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di Marco Malaspina

Immaginate un laser al contrario. Un laser il cui raggio, invece di fondere il bersaglio, lo raffredda. Ebbene, questo incredibile dispositivo esiste. E ora un team di ricercatori guidato da Peter Pauzauskie, della University of Washington, a Seattle, è riuscito per la prima volta a dimostrare che è possibile utilizzarlo per rinfrescare un liquido.

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La teoria dietro a questo risultato non è affatto nuova. Risale al 1929, quando in un articolo pubblicato su Zeitschrift für Physik il fisico Peter Pringsheim suggerì che la cosiddetta fotoluminescenza anti-Stokes – un effetto che si verifica in alcuni cristalli quando, sottoposti a eccitazione, i fotoni emessi hanno energia maggiore di quelli assorbiti – poteva ridurre la temperatura del materiale illuminato. Ma per passare alla pratica s’è dovuto attendere fino al 1995, quando nei laboratori di Los Alamos, sfruttando appunto la fotoluminescenza anti-Stokes, i ricercatori hanno iniziato a raffreddare alcuni materiali (per esempio, nanonastri di solfuro di cadmio) arrivando ad abbassarne la temperatura anche di 40 gradi rispetto a quella ambiente. Questo, però, solo nel vuoto. Almeno fino a oggi.

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L’impresa di Pauzauskie e colleghi, descritta in uno studio in uscita questa settimana sui Proceedings of the National Academy of Sciences, è stata quella di replicare lo stesso processo in un ambiente liquido. Riuscendo a raffreddare di oltre 20 gradi alcuni cristalli di fluoro litio ittrio drogati con itterbio immersi nell’acqua – nella fattispecie, acqua pesante (D2O, due atomi di deuterio e uno di ossigeno) – irraggiandoli con un laser a infrarossi.

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Ma come può un raggio laser raffreddare? Non dovrebbe avvenire il contrario? La domanda è più che legittima: «Di solito, i laser, le cose le scaldano, come ben sappiamo dai film di Star Wars. Questo è il primo esempio di raggio laser che potrà raffreddare liquidi come l’acqua in condizioni standard. Se fosse o meno possibile era davvero una domanda aperta», conferma Pauzauskie, «perché normalmente l’acqua, quando è illuminata, si scalda».

Intendiamoci, qui si parla di appena una manciata di nanocristalli. E una fra le difficoltà maggiori è stata misurarne la variazione di temperatura, operazione per la quale s’è reso necessario arrivare a registrare – utilizzando lo stesso raggio laser – il rallentamento del moto browniano dei singoli cristalli. Per raffreddare un insieme di particelle più cospicuo occorrerà un laser di potenza assai maggiore. Dunque è quantomeno prematuro fantasticare scenari apocalittici come quelli innescati dal ghiaccio-nove, la nanoparticella – immaginata da Kurt Vonnegut nell’omonimo romanzo – capace di surgelare l’intero pianeta. Ma il risultato ottenuto alla University of Washington segna comunque una tappa significativa nell’incessante sfida fra tecnologia ed entropia.

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Quanto ai vantaggi offerti dalla refrigerazione laser rispetto alle altre tecnologie criogeniche, quello principale è senza dubbio la precisione, intesa in termini spaziali. Le applicazioni più promettenti sono infatti in ambito biologico: sarà per esempio possibile, sperano i ricercatori, arrivare a rallentare, se non addirittura a bloccare, l’attività di singole cellule o parti di esse. Notevoli le potenzialità che si aprono anche per quanto riguarda la costruzione di laser “normali” – quelli che bruciano, per intenderci – più potenti di quelli attuali: l’obiettivo, in questo caso, è quello di sfruttare la fotoluminescenza anti-Stokes per evitarne il surriscaldamento, scongiurando così il conseguente rischio di fusione. E siamo solo all’inizio: se pensiamo che, fino a oggi, pochi immaginavano fosse possibile usare un laser per raffreddare, è facile prevedere che le idee su cosa farne ora non tarderanno ad arrivare.

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